代雪梅　张晓青

摘要：针对MEMS谐振器进行了电路的性能优化设计。设计了高增益谐振器接口电路，仿真表明，优化后谐振器的插入损耗由62dB减至0.51dB，提升了谐振器在通信中的应用潜力。

关键词：RF-MEMS谐振器;阻抗匹配网络;低插损

中图分类号：TN1705 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）06-0123-02

0 引言

随着5G发展，射频器件呈现出功耗低、体积小、频率高、集成度高、微型化、多通带、多模式的发展趋势，传统器件如石英晶振、陶瓷晶振等体积大、功耗高;而MEMS濾波器或者MEMS振荡器，可满足未来无线通信的要求，具有广阔的发展前景。

但MEMS谐振器存在机电转换效率较低，插入损耗较高，能量传输受到衰减等问题。因而，本文设计了接口电路对MEMS谐振器进行性能优化。

1 RF-MEMS圆盘谐振器的工作原理

本文的MEMS圆盘谐振器为利用高度对称的面内径向伸缩模态产生谐振的径向振动具有非常大的弹性系数，具有很高的谐振频率和品质因子Q[1]。

为分析谐振器特性，通常采用机电模拟方法[2]。谐振器的等效模型如图1所示。

其中，，，。为电极与圆盘间静态电容，为输入端机电耦合系数，为输出端机电耦合系数，为有效刚度，为有效质量，为阻尼系数。当谐振器的谐振频率为ω0，施加的直流偏置电压为Vi时，动态电阻Rx可表示为[3]：

，                               （1）

其中，Q为谐振器的品质因子，ε0为空气介电常数，A为电容极板面积，d为电容间隙。

受限导致电容间隙难以继续减小，因而MEMS谐振器的动态阻抗较大，插入损耗较高。

2 接口电路设计

2.1 输入、输出匹配网络设计

针对MEMS谐振器的高阻特性，引入L型阻抗匹配网络，如图2所示。

其中Rx为信号源阻抗，RL为负载阻抗，jB和jX分别为电感、电容。若：                                      （2）

则有：                             （3）

（4）

（5）

（6）

通过式（6）即可计算出电路阻抗匹配所设计的电容的数值。

2.2 两级放大电路设计

经过阻抗匹配的MEMS谐振器仍有近40dB的插入损耗，且MEMS谐振器的输出为微弱的电流高频信号，需采用互阻抗放大器（TIA）提取微弱的电流信号，并在放大的同时抑制噪声，采用两级放大的方案。两级放大电路的第一级采用微分跨阻放大;第二级采用反相电压放大，电路如图3所示。

3 仿真结果与分析

经阻抗匹配后，插入损耗从62dB降低至了37.33dB，降低了放大电路的增益需求。两级放大电路的频谱图如图4所示。增益在40-200MHz以内较为平坦，在频率为150.7MHz时，电路的增益达到36.73dB，能够有效补偿MEMS谐振器的插入损耗。

将放大电路与阻抗匹配后谐振器输出频谱级联仿真，如图5所示。峰值处，插入损耗由37.33dB降至0.51dB，表明所设计的放大电路有效降低了谐振器的插入损耗。

4 结语

通过增加阻抗匹配网络、两级放大电路对高阻抗、高中心频率、高品质因子的MEMS谐振器的性能进行了优化，降低了MEMS谐振器的插入损耗、提高了传输性能，插入损耗及传输性能的优化设计对MEMS谐振器的实用推广具有参考价值，提升了MEMS谐振器的应用潜力。

参考文献

[1] J. R. Clark， W. T. Hsu， C. T. C. Nguyen. High-Q VHF micromechanical contour-mode disk resonators[C]. Proceedings of the IEEE International Technical Digest Electron Devices Meeting（IEDM），2000，F 10-13Dec.2000.

[2] Nguyen C. T. C. Frequency-selective MEMS for miniaturized low-power communication devices[C]. Microwave Theory & Techniques IEEE Transactions on， 1999， 47（8）：1486-1503.

[3] W.Jing，R.Zeying，C.T.C.Nguyen.1.156-GHz self-aligned vibrating micromechanical disk resonator[J].Ultrasonics，Ferroelectrics and Frequency Control， IEEE Transactions on， 2004，51（12）：1607-1628.

[4] [美]W·O·亨利.电子系统噪声抑制技术[M].北京：人民铁道出版社，1978：209-239.

Study on Performance Optimization of RF-MEMS Resonators

DAI Xue-mei，ZHANG Xiao-qing

（School of Instrument Science and Opto Electronics Engineering， Beijng Information Science &Technology University，Beijing 100192）

Abstract：A circuit-based performance optimization design for MEMS resonators was done. Foran RF-MEMS resonator， a high gain resonator interface circuit was designed.The simulation results showthe insertion loss of the resonator after performance optimization is reduced from 62dBto 0.51 dB.

Key words：RF-MEMS resonator; impedance matching network; low insertion loss